DE69017404T2

DE69017404T2 - Diamantbeschichteter Sinterkörper und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE69017404T2
Application number: DE1990617404
Authority: DE
Inventors: Satoshi C O Ngk Spark Plug Iio; Toshimichi Ito; Masaya Tsubokawa; Masakazu Watanabe
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd; NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2010-12-28
Also published as: DE69017404D1; EP0435272A1; CA2033389C; CA2033389A1; EP0435272B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit einem Diamanten beschichteten Körper (nachfolgend als diamantbeschichteter Körper bezeichnet) und ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie im spezielleren einen diamantbeschichteten Körper und ein Verfahren zur Herstellung desselben, wobei der diamantbeschichtete Körper ausgezeichnete Haftßähigkeit eines Films des Diamanten (nachfolgend als Diamantfilm bezeichnet) an ein Substrat besitzt und dabei hohe Leistungsfähigkeit sowie ausgezeichnete Haltbarkeit bei der Anwendung aufweist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Bisher wurden extrem harte Legierungen, gesinterter Diamant, Einkristalldiamant usw. für Werkzeuge verwendet, die einen hohen Grad an Härte sowie hohe Abriebfestigkeit erfordern, wie Schneidwerkzeuge und Stanzen.
Von diesen werden Diamantwerkzeuge aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie Härte und Abriebfestigkeit besonders bevorzugt.
Als Diamantwerkzeuge werden solche verwendet, die zum Beispiel durch Hartlöten eines gesinterten Diamanten oder eines Einkristalldiamanten an die Oberfläche eines Substrats, das zum Beispiel aus einer extrem harten Legierung oder einem sehr harten Metall besteht, hergestellt wurden.
Vor kurzem wurden die Verfahren zur Herstellung von diamantbeschichteten Körpern dahingehend überarbeitet, daß ein Diamantfilm auf der Oberfläche eines Substrats, das aus der extrem harten Legierung oder äußerst hartem Metall zusammengesetzt ist, mittels der Technik der Dampfphasen-Diamantsynthese, wie der CVD- oder PVD-Methode, aufgebracht wird und dieses beschicht; außerdem wurden Versuche unternommen, die resukierenden diamantbeschichteten Körper für die oben beschriebenen Verwendungen einzusetzen.
Dennoch muß angemerkt werden, daß Diamant die härteste Substanz ist, so daß der Diamantflim, der auf der Oberfläche des aus den extrem harten Legierungen oder ähnlichem bestehenden Substrats aufzubringen ist, als wirksam einsetzbares Beschichtungsmaterial oder Schutzfilm gilt, um dem Substrat ein hohes Maß an Härte und Abriebfestigkeit zu verleihen.
Somit wird berücksichtigt, daß extrem harte Werkzeuge mit weiter verbesserter Leistungsfähigkeit zum Beispiel so hergestellt werden können, indem die Oberfläche des Substrats, das aus der extrem harten Legierung oder ähnlichem Material besteht, welches für extrem harte Werkzeuge wie Schneidwerkzeuge, Stanzen usw. eingesetzt wird, beschichtet wird.
Jedoch muß angemerkt werden, daß die Haftfähigkeit zwischen der Oberfläche der extrem harten Legierung und dem Diamantfilm im allgemeinen gering ist, und bislang sind keine Werkzeuge hergestellt worden, die den tatsächlichen Anwendungen standhalten.
Einige Techniken sind vorgeschlagen worden, bei denen man eine Zwischenlage zwischen der Oberfläche der extrem harten Legierung und dem Diamantfilm bildet und dadurch die Haftfähigkeit zwischen ihnen zu verbessern sucht.
Zum Beispiel offenbart die offengelegte japanische Patentveröffentlichung (kokai) Nr. 126.972/1983 eine extrem harte Legierung mit einem Diamantfihn, der so hergestellt werden kann, daß zuerst die Oberfläche der extrem harten Legierung mit einer Zwischenlage aus mindestens einem aus der Gruppe eines Carbids, Nitrids, Borids oder Oxids eines zur Gruppe IVa, Va oder VIa gehörenden Metalls ausgewählten Material beschichtet wird und anschließend die Oberfläche der resultierenden Zwischenlage mit einem Diamantfilm beschichtet wird.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich wird, umfaßt das in der oben genannten offengelegten Patentveröffentlichung offenbarte Verfahren zwei Stufen, welche die erste Stufe des Beschichtens der Oberfläche der extrem harten Legierung mit dem Zwischenfilm umfaßt sowie die zweite Stufe des Beschichtens des Zwischenfilms mit dem Diamantfilm, so daß sich dieses Verfahren als mühsam während des Herstellungsverfahrens erweist. Außerdem kann nicht gesagt werden, daß dieses Verfahren in ausreichender Weise und in praktisch anwendbarem Maß eine Verbesserung der Haftfähigkeit des Diamantfilms an die extrem harte Legierung bewirkt, obwohl die vorgenannte offengelegte Patentveröffentlichung dies vorgibt.
Ferner sind Techniken vorgeschlagen worden zur Verbesserung der Haftfähigkeit zwischen dem aus extrem harter Legierung oder ähnlichem bestehenden Substrat und dem Diamantfilm ohne Bildung einer Zwischenlage.
Zum Beispiel offenbart die offengelegte japanische Patentveröffentlichung (kokai) Nr. 100.182/1988 eine extrem harte Legierung mit einem Diamantfilm, hergestellt durch Beschichten einer extrem harten Legierung des Wolframkarbid-Typs, die aus Wolframkarbid in einem speziellen Partikelgrößenbereich besteht und eine spezielle Menge Co enthält, mit dem Diamantfilm.
Dennoch kann nicht gesagt werden, daß die resultierende extrem harte Legierung mit dem Diamantfilm, wie sie in dieser Patentveröffentlichung offenbart wird, ein ausreichendes praktisches Maß an Haftfähigkeit zwischen der extrem harten Legierung und dem Diamantfilm zeigt.
Insbesondere ist es so, daß, wenn die Menge des zuzufügenden Co erhöht würde, der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats steigt und mehr Kohlenstoff in Co verteilt würde, wodurch die vorteilhafte Beschichtung mit dem Diamantfilm erschwert würde. Als Ergebnis wird die Haftfähigkeit zwischen dem Substrat und dem Diamantfilm verringert, weshalb kein angemessenes Maß an Haltbarkeit erreicht wird.
Es heißt allgemein, daß, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats in erheblichem Maß von dem des Diamantfilms abweicht, man davon ausgeht, daß durch Abkühlen nach dem Beschichten ein hohes Maß an thermischer Spannung innerhalb des Diamantfilms auftreten kann, und diese thermische Beanspruchung wirkt als die Ursache einer Verminderung der Haftfähigkeit, wodurch es wahrscheinlich zu Schäden kommt, wie Ablösen des Diamantfilms vom Substrat beim Einsatz als extrem hartes Werkzeug.
Zur Verbesserung der Haftfähigkeit des Diamantfilms an das Substrat unter Berücksichtigung der oben angeführten Dinge fand kürzlich eine umfangreiche Entwicklung und Auswahl eines Substrats neuen Typs statt, der aus harten Materialien, insbesondere aus Keramik (gesinterte Körper) besteht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient dem von Diamant nahezu entspricht und die wahrscheinlich direkt mit dem Diamantfilm beschichtet wurden.
Es sind zum Beispiel Vorschläge gemacht worden, bei denen man versuchen wollte, diamantbeschichtete Körper bereitzustellen, bei denen der Diamantfilm mit hoher Haftfähigkeit aufgebracht wird, indem man als Substrat Si&sub3;N&sub4;, Keramik (gesinterte Körper), die als Hauptbestandteil Si&sub3;N&sub4; enthalt, oder extrem hartes Substrat mit einem regulierten Wärmeausdehnungskoeffzienten verwendet, wobei viele dieser extrem harten Substrate aus einem Si&sub3;N&sub4;-Sinterkörper oder aus Keramik auf Siliciumnitridbasis bestanden. An dieser Stelle läßt sich feststellen, daß sich verschiedene Eigenschaften, wie der Wärmeausdehnungskoeffizient, von Siliciumnitriden bekanntermaßen je nach Sinterbedingungen und Zusatz von TiN, TiC, ZrN, SiC, ZrO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3; o. ä. verändern können (wie zum Beispiel in der japanischen Patentveröffentlichung (kokoku) Nr. 59.086/1985 und den offengelegten japanischen Patentveröffentlichungen (kokai) Nr. 122.785/1985, 109.628/1986, 252.004/1986, 291.493/1986/ 107.067/1987, 20.478/1988, 20.479/1988, 33.570/1988 und 306.805/1988 offenbart).
Die JP-A-60 122 785 offenbart ein diamantbeschichtetes Werkzeug auf der Basis eines Siliciumnitrid-Substrats. Jedoch wird nicht offenbart, eine Kristallisationsbehandlung durch Erhitzen des Substrats durchzuführen, und deshalb umfaßt das Substrat keine kristalline intergranuläre Phase. In Beispiel 1 dieses Dokuments wurde ein Siliciumnitrid-Substrat lediglich durch Heißpressen hergestellt. Anschließend wurde das Substrat mit Diamant beschichtet. In Beispiel 2 wurde vor dem Beschichten mit Diamant eine Vorbehandlung unter reduziertem Druck bei einer Temperatur von 900ºC in einer Atmosphäre von 0,5% Sauerstoff enthaltendem Argongas durchgeführt, um die Oberflächen des Substrats zu oxidieren.
Es ist anzumerken, daß bei den unter Verwendung der herkömmlichen Substrate hergestellten diamantbeschichteten Körpern, wie in den bisherigen Patentveröffentlichungen offenbart, immer noch das Problem besteht, daß die Haftfähigkeit zwischen den herkömmlichen Substraten und dem Diamantfilm unzureichend ist und daß sie keine Leistungsfähigkeit, vor allem Haltbarkeit, in so ausreichendem Maß besitzen, wie dies von extrem harten Werkzeugen gefordert wird. Die Probleme schließen insbesondere eine kurze Schneiddauer ein, wenn sie als Schneidwerkzeuge eingesetzt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfiudung wurde zur Verminderung der Probleme ausgearbeitet, die herkömmliche diamantbeschichtete Körper mit sich bringen.
Das Ziel der vorhegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines diamantbeschichteten Korpers mit möglichst langer Lebensdauer für den Einsatz als extrem hartes Werkzeug, wie Schneidwerkzeug, sowie als abriebfester Korper mit hoher Leistungsfähigkeit und ausgezeichneter Haltbarkeit durch verbesserte Haftfähigkeit zwischen einem Diamantfilm und einem aus einem harten Material bestehenden Substrat.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung des unmittelbar vorangehend beschriebenen diamantbeschichteten Körpers.
Als Ergebnis ausgedehnter Forschung und Untersuchungen der Richtlinien zur Auswahl harter Substrate, die zur Erreichnung der oben genannten Ziele ein ausreichendes Maß an Haftfähigkeit an den Diamantfilm besitzen, wurden die folgenden grundlegenden Feststellungen getroffen:
1. Der gesinterte Körper auf Siliciumnitridbasis besitzt allgemein physikalische Leistungsfähigkeit als Substrat unter dem Aspekt eines harten Materials, das wahrscheinlich auf der Oberfläche desselben mittels Dampfphasensysnthese direkt mit dem Diamantfilm zu beschichten ist, obwohl herkömmliche gesinterte Körper auf Siliciumnitridbasis eine geringe Haftfähigkeit zwischen dem Substrat und dem Diamantfilm besitzen;
2. Obwohl sich dies nicht auf die Substrate auf Siliciumnitridbais beschränkt, kann die Schneiddauer der Substrate mit ihren Zusammensetzungen derselben stark variieren, wenn der durch Beschichten der Oberfläche des Substrats mit dem Diamantfilm hergestellte Körper als Schneidwerkzeug benutzt wird, da sich die Haftfähigkeit des Diamantfilms an das Substrat zum Beispiel abhängig von der Zusammensetzung des Substrats verändern kann, selbst wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats dem des Diamanten entspricht. Deshalb muß die Zusammensetzung und Mikrostruktur des als das Substrat einzusetzenden gesinterten Körpers (einschließlich der Art des Bestandteils, der Phasen sowie der Konstruktion der Strukturen desselben), einfühlsam und sorgfältig reguliert werden, da die Einstellung nur eines Faktors, wie des Wärmeausdehnungskoeffizienten, zur Verbesserung der Haftfähigkeit zwischen dem Diamantfilm und dem Substrat nicht ausreicht; und
3. Bei einer Vielzahl herkömmlicher Substrate auf Siliciumnitridbasis können ihre verschiedenen Eigenschaften und Charakteristika außer ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten gesteuert werden, da die Zusammensetzungen und Mikrostrukturen des resultierenden gesinterten Körpers durch Veränderung der Art und des Inhalts eines einzusetzenden Zusatzes wie auch die Sinter- oder Behandlungsbedingungen vor und nach der Sinterbehandlung verändert werden können.
Um also ein Substrat so zu gestalten, daß es ausgezeichnete Haftfähigkeit an dem Diamantfilm hauptsächlich auf der Basis der vorgenannten grundlegenden Feststellungen besitzt, wurde hauptsächlich die Zusammensetzung und Mikrostruktur des gesinterten Körpers grundlegend überarbeitet, die als Ursache für die Verschlechterung der Haftfähigkeit der Keramik auf Siliciumnitridbasis (gesinterter Körper) an den Diamantfilm angesehen wurde, wobei die Keramik herkömmlicherweise als das Substrat empfohlen wird. Als Ergebnis wurden die folgenden Tatsachen als wichtig empfünden.
Mit anderen Worten, bislang wurde eine hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestehende Keramik, da sie schwer zu sintern ist, üblicherweise durch Zusatz von Sinter-Hilfsstoff zur Bildung einer glasförmigen Phase gesintert. Dennoch muß festgestellt werden, daß der den Sinter-Hilfsstoff bildende Bestandteil auch nach dem Sintern als intergranuläre glasförmige Phase im gesinterten Körper bestehen bleibt, wodurch die Hitzebeständigkeit des resultiernden gesinterten Körpers verschlechtert wird. Deshalb kann herkömmlicherweise, wenn der gesinterte Körper als Substrat für den dimantbeschichteten Körper eingesetzt wird, der intergranuläre Bestandteil vor oder gleichzeitig mit dem Beschichten aufgrund der hohen Temperaturen während des Beschichtens mit dem Diamantfilm verdampft oder umgewandelt werden, wodurch die Haftfähigkeit zwischen dem Substrat und dem Dimantfilm verschlechtert wird.
Als Ergebnis wurde festgestellt, daß man einen diamantbeschichteten Körper mit ausgezeichneter Haftfähigkeit herstellen kann, indem der gesinterte Körper auf Siliciumnitridbasis mit einer intergranulären glasförmigen Phase wie oben beschrieben einer Kristallisationsbehandlung unterzogen und der resultierende gesinterte Körper mit einer kristallinen intergranulären Phase mit einem Diamantfilm beschichtet wird, wobei der diamantbeschichtete Körper vorteilhafterweise zum Beispiel als extrem hartes Werkzeug eingesetzt wird und äußerst abriebbeständige Körper eine hohe Leistungsfähigkeit und hohe Haltbarkeit besitzen, wie Schneidwerkzeuge über eine lange Schneiddauer verfügen. Und die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis der vorangehenden Befunds bewerkstelligt.
Mit anderen Worten stellt die vorliegende Erfindung einen diamantbeschichteten Körper bereit mit einem mittels Dampfphasensynthese auf der Oberfläche eines eine Keramik auf Siliciumnitridbasis mit einer kristallinen intergranulären Phase umfassenden Substrats aufgebrachten Diamantfilm, wobei das Substrat durch Sintern eines aus einer Keramik auf Siliciumnitridbasis gebildeten Körpers, um einen gesinterten Körper mit einer intergranulären glasformigen Phase zu erhaften, und Unterziehen des gesinterten Korpers einer Kristallisationsbehandlung durch Erhitzen desselbigen bei einer Temperatur von 1400 bis 1700 ºC hergestellt worden ist.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Körpers bereit, der das Sintern eines aus einer Keramik auf Siliciumnitridbasis gebildeten Körpers, um einen gesinterten Körper mit einer intergranulären, glasförmigen Phase zu erhalten, und das Unterziehen des gesinterten Korpers einer Kristallisationsbehandlung durch Erhitzen auf eine Temperatur von 1400ºC bis 1700ºC sowie das Beschichten von Diamant auf die resultierende Keramik auf Siliciumnitridbasis mit einer kristallinen intergranulären Phase mittels Dampfphasensynthese umfaßt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung wird ausführlicher beschrieben.
Mit der für die vorliegende Erfindung einzusetzenden Keramik auf Siliciumnitridbasis sind gesinterte Körper gemeint, die durch Röntgendiffraktometrie nachzuweisende Kristallpartikel aus Siliciumnitrid, Si&sub3;N&sub4;, oder durch Röntgendiffraktometrie als β-Sialon (Si6-zAlzN8-zOz, wobei z im Bereich von 0 bis 4,2 liegt ) nachzuweisende Kristallpartikel enthaften, in dem Aluminium (Al) und Sauerstoff(O) eine feste Lösung mit Si&sub3;N&sub4;-Kristallen bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden von der Keramik auf Siliciumnitridbasis diejenigen mit einer kristallinen intergranulären Phase (nachfolgend manchmal als gesinterte Körper mit der kristallinen intergranulären Phase oder gesinterte Körper [I] bezeichnet) als Substrat eingesetzt.
Wie die in der vorliegenden Erfindung zu verwendende Keramik auf Siliciumnitridbais (der gesinterte Körper [I]) kann auch die Keramik mit unterschiedlichen Zusammensetzungen verwendet werden, solange sie hauptsächlich aus Siliciumnitrid besteht und eine kristalline intergranuläre Phase enthält. Das Verfahren zur Herstellung des gesinterten Körpers [I] ist nicht auf ein spezielles beschränkt, und der gesinterte Körper [I] kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden. Geeigneterweise können sie durch Unterziehen eines hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestehenden und eine intergranuläre glasförmige Phase enthaltenden gesinterten Körpers (der gesinterte Körper wird nachfolgend manchmal als der die intergranuläre glasförmige Phase enthaltende Körper oder gesinterter Körper [II] bezeichnet) einer Kristallisationsbehandlung hergestellt werden.
Der gesinterte Körper [II] mit verschiedenen bekannten Zusammensetzungen kann eingesetzt werden, solange sie hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestehen und eine intergranuläre glasförmige Phase enthalten. Zur effektiven Durchführung der Kristallisationsbehandlung wird dennoch bevorzugt, daß sie einen Bestandteil zur Beschleunigung der Kristallisation der intergranulären glasförmigen Phase enthalten (zum Beispiel ein keimbildendes Mittel).
Mit anderen Worten kann der gesinterte Körper [II] mit veschiedenen Verfahren einschließlich der bekannten, die nicht auf spezielle beschränkt sind, hergestellt werden. Es wird vorgezogen, daß das Sintem durch Zufügen des Bestandteils zur Beschleunigung der Kristallisation durchgeführt werden könnte, wie das keimbildende Mittel oder eine Vorstufe davon als ein Bestandteil für das Ausgangsmaterial des gesinterten Körpers.
Als Bestandteil zur Beschleunigung der Kristallisation kann gewöhnlich eine Vielzahl von bekannten keimbildenden Mitteln eingesetzt werden, die eine Ti-Verbindung, wie TiN, oder eine Zr-Verbindung einschließen. Von diesen Verbindungen wird die Ti-Verbindung bevorzugt, und TiN wird besonders bevorzugt.
Es reicht aus, daß der Bestandteil zur Beschleunigung der Kristallisation in einem solchen Maß zugefügt wird, daß er seine intergranuläre glasförmige Phase wirksam in die kristalline intergranuläre Phase umwandelt. Wenn als Bestandteil zur Beschleunigung der Kristallisation die Ti-Verbindung wie TiN, das als keimbildendes Mittel funigiert, eingesetzt wird, kann die TiN- Verbindung bei der Umwandlung in TiN vorzugsweise in einer Menge im Bereich von 1 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise von 2 bis 20 Gew.-% eingesetzt werden.
Ist der Bestandteil zur Beschleunigung der Kristallisation im gesinterten Körper [II] zu gering enthalten, wird einerseits für die Wärmebehandlung zur Kristallisation ein langer Zeitraum benötigt, oder die Kristallisation der intergranulären glasförmigen Phase wird unvollständig. Ist der Gehalt des Bestandteils zur Beschleunigung der Kristallisation zu hoch, steigt andererseits der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats zu stark und vermindert dadurch die Haftfähigkeit des Diamantfilms an das Substrat.
Es können verschiedene als Ausgangsmaterialien für den gesinterten Körper [I] oder [II] zu verwendende Siliciumbestandteile eingesetzt werden, die die Siliciumnitride bilden können, und gewöhnlich ist Si&sub3;N&sub4; geeignet.
Der Gehalt des Siliciumnitrids, zum Beispiel Si&sub3;N&sub4;, im gesinterten Körper [II] und [I] kann gewöhlich 50 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 60 bis 90 Gew.-%, betragen. Ist der Gehalt des Siliciumnitrids zu gering, können einerseits seine Charakteristika nicht in genügendem Maß gezeigt werden, und es kann schwierig werden, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats auf einen Wert zu steuern, der dem des Diamantfilms nahe kommt, oder das Beschichten mittels Dampfphasensynthese mit dem Diamantfilm gleichmäßig durchzuführen. Somit könnten in diesem Fall die Ziele der vorliegenden Erfindung nicht erreicht werden.
Der gesinterte Körper [II] oder [I] kann, falls notwendig, weitere verschiedene zusätzliche Bestandteile innerhalb eines Bereichs enthalten, der die Ziele der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt oder behindert, zusätzlich zu den Siliciumnitriden, wie Si&sub3;N&sub4;, und zu dem Bestandteil zur Beschleunigung der Kristallisation, wie die TiN-Verbindung, oder einem Bestandteil, der sich als der Bestandteil für die Beschleunigung der Kristallisation eignet.
Als weitere verschiedene zusätzliche Bestandteile können zahlreiche genannt werden, einschließlich derjenigen, die sich für eine Verwendung als zusätzliche Bestandteile eignen, wie der bekannte gesinterte Körper auf Siliciumnitridbasis, der als der herkömmliche gesinterte Körper auf Siliciumnitridbasis vorgeschlagen wird. Spezielle Beispiele dieser zusätzlichen Bestandteile können zum Beispiel Oxide von Y, Al, Zr oder Mg, wie ZrO&sub2;, MgO, Al&sub2;O&sub3; und Y&sub2;O&sub3; einschließen, Nitride, Carbide oder Boride derselben, Kieselsäure, Komplexverbindungen und deren Zusammensetzungen. Ferner können andere als die oben aufgeführten Siliciumverbindungen und -zusammensetzungen genannt werden, wie Carbide und Oxide sowie Komplexverbindungen und Zusammensetzungen aus Silicium, als auch andere als die oben genannten Ti-Komplexverbindungen und -zusammensetzungen sowie Komplexverbindungen und deren Zusammensetzungen.
Diese verschiedenen Bestandteile als Ausgangsmaterialien sind nicht auf spezielle beschränkt, und es können geeigneterweise jene eingesetzt werden, die üblicherweise durch Sintern der herkömmlichen Keramik auf Basis des Siliciumnitrid-Typs für die Herstellung gesinterter Körper verwendet werden.
Voll diesen können insbesondere ZrO&sub2;, MgO, Y&sub2;O&sub3; und AL&sub2;O&sub3; angemessen eingesetzt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung des gesinterten Körpers [II] nicht auf ein spezielles beschränkt und der gesinterte Körper [II] kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, einschließlich, zum Beispiel, Verfahren zur Herstellung gesinterter Körper, wie bekannte gesinterte Körper auf Siliciumnitridbasis, die als die Substrate für herkömmliche diamantbeschichtete Körper vorgeschlagen wurden.
Als Verfahren zur Herstellung des gesinterten Körpers [II] können geeigneterweise Verfahren zur Herstellung des gesinterten Körpers auf Siliciumnitridbasis angewandt werden, die die vorher festgelegte Zusammensetzung durch Mischen der geeigneten Ti-Verbindungen als Ausgangsstoffe, die als Bestandteil zur Beschleunigung der Kristallisation fungieren, vorzugsweise TiN mit den geeigneten Siliciumnitriden, vorzugsweise Si&sub3;N&sub4; mit vorher festgelegtem Gehalt, oder durch Mischen dieser Verbindungen mit den anderen geeigneten Verbindungen (vorzugsweise ZrO&sub2;, MgO, Y&sub2;O&sub3; und Al&sub2;O&sub3;), die als die verschiedenen bei Bedarf zuzufügenden Bestandteile als Ausgangsmaterialien mit vorher festgelegtem Gehalt einzusetzen sind. Daraus wird mittels einer geeigneten Formgebungsmethode wie Formstanzen und Sintern der noch rohen Körper unter geeigneten Sinterbedingungen die resultierende Mischung in den gewünschten Formen gebildet, um die gesinterten Körper der vorher festgelegten Zusammensetzungen (den gesinterten Körper [II]) zu erhalten.
Jeder der Bestandteile, die als Ausgangsmaterialien zum Sintern eingesetzt werden, können in Form von Pulver, feinem Pulver, extrafeinen Partikeln, Whiskern oder in jeder anderen Form eingesetzt werden. Geeigneterweise können feine Partikel oder extrafeine Partikel mit durchschnittlichen Partikelgrößen im Bereich von gewöhnlich etwa 0,05 um bis 4,0 um, vorzugsweise von etwa 0,05 um bis 2,0 um, und Whisker mit Aspektverhältnissen im Bereich von etwa 20 bis 200 eingesetzt werden.
Die Sintertemperatur kann angemessenerweise gewöhlich im Bereich von 1500ºC bis 2000ºC, vorzugsweise von 1600ºC bis 1800ºC, liegen.
Die Sinterdauer kann angemessenerweise gewöhnlich 0,2 Stunden und mehr betragen; vorzugsweise liegt sie im Bereich von ca. 0,3 bis 10 Stunden.
Es wird gewöhlich gewünscht, das Sintern in einer Stickstoff- und/oder Inertgas-Atmosphäre durchzuführen, und das Sintern kann gewöhnlich unter Normaldruck, erhöhtem Druck oder Gasdruck erfolgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der als das Substrat zu verwendende gesinterte Körper [I] angemessen durch Unterziehen des auf vorgenannte Weise hergestellten gesinterten Körpers [II] einer Kristallisationsbehandlung unter angemessenen Bedingungen hergestellt werden, um mindestens einen Teil, vorzugsweise einen großen Teil, der intergranulären glasförmigen Phase des gesinterten Körpers [II] in die kristalline intergranuläre Phase umzuwandeln.
Obwohl die Kristallisationsbehandlung mit verschiedenen Verfahren durchgeführt werden kann, kann sie vorzugsweise gewöhnlich durch Erhitzen des gesinterten Körpers [II] auf geeignete Temperaturen durchgeführt werden.
Die Bedingungen für die Kristallisationsbehandlung durch Erhitzen können nicht einheitlich festgelegt werden, da sie sich je nach Zusammensetzung des gesinterten Körpers [II] und anderen Bedingungen verändern können. Die Kristallisationsbehandlung wird effektiv durch Erhitzen des gesinterten Körpers [II] auf Temperaturen im Bereich von 1400ºC bis 1700ºC, vorzugsweise von 1500ºC bis 1600ºC, über einen Zeitraum von gewöhnlich 0,5 Stunden oder länger, vorzugsweise über einen Zeitraum im Bereich von ca. 1 bis 10 Stunden, durchgeführt.
Andere Verfahren zur Herstellung des gesinterten Körpers [I] mit der kristallinen intergranulären Phase schließen Verfahren zur Kühlung der gesinterten Körper unter bestimmten Kühlbedingungen, zum Beispiel unter Temperbedingungen, ein.
Der gewünschte als das Substrat einzusetzende gesinterte Körper [I] kann auf die oben beschriebene Weise hergestellt werden.
Der gesinterte Körper [I] kann durch Sintern der miteinander vermischten Ausgangsmaterialien in einer gewünschten Form oder, falls nötig, durch Verarbeitung der Mischung in eine gewünschte Form im Anschluß an die Sinterbehandlung oder die Kristallisationsbehandlung hergestellt werden, wobei er selbst als Substrat für den diamantbeschichteten Körper gemäß der vorliegenden Erfindung dient.
Wie der gesinterte Körper, der von der Keramik auf Siliciumnitridbasis (der gesinterte Körper [I]) in besonderer Weise als das Substrat eingesetzt werden kann, können gemäß der vorliegenden Erfindung die gesinterten Körper erwähnt werden, die herzustellen sind durch Mischen von Si&sub3;N&sub4;, TiN und mindestens einem, vorzugsweise zwei Materialien von aus der ZrO&sub2;, MgO, Y&sub2;O&sub3; und Al&sub2;O&sub3; umfassenden Gruppe gewählten Oxiden als Ausgangsmaterialien mit vorher festgelegtem Gehalt, durch Formpressen oder Umformung der resultierenden Mischung in die gewünschte Form, zum Beispiel durch Formstanzen, dann anschließendes Sintern des geformten Körpers unter angemessenen Bedingungen, um dadurch den gesinterten Körper auf Siliciumnitridbasis (den gesinterten Körper [II]) zu erhalten, der die intergranuläre glasförmige Phase enthält und dessen Peaks für β-Sialon und TiN durch Röntgendiffraktometrie beobachtet werden, und wobei ferner der gesinterte Körper [II] einer Kristallisationsbehandlung unterzogen wird, um dadurch den gesinterten Körper [I] zu erhalten, dessen Peaks für β-Sialon und TiN durch Röntgendiffraktometrie beobachtet werden und der die Melilithphase (Y&sub2;Si&sub3;N&sub4;O&sub3;) als die kristalline intergranuläre Phase enthält.
Der vorher festgelegte Gehalt der Bestandteile innerhalb der Mischung kann dergestalt sein, daß Si&sub3;N&sub4; innerhalb eines Bereichs von 60 bis 90 Gew.-%, die Ti-Verbindung nach Umwandlung in TiN innerhalb eines Bereichs von 1 bis 30 Gew.-% liegen kann, und mindestens ein aus der ZrO&sub2;, MgO, Y&sub2;O&sub3; und Al&sub2;O&sub3; umfassenden Gruppe gewähltes Oxid kann im Bereich von 10 bis 40 Gew.-% liegen.
Der diamantbeschichtete Körper gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Beschichten der gewünschten Oberfläche des gesinterten Körpers [I] (die Keramik auf Siliciumnitridbasis mit der kristallinen intergranulären Phase) mit dem Diamantfilm mittels Dampfphasensynthese hergestellt werden.
Dieser Diamantfilm kann bequem und mit gleichmäßiger Filmdicke gebildet werden.
In diesem Zusammenhang muß angemerkt werden, daß die Anwendung der Dampfphasensynthese auf Superlegierungssubstrate des WC-Typs das Problem mit sich bringt, daß zum Beispiel Plasma nicht gleichmäßig konvergiert und dadurch die Filmdicke des Diamantfilms ungleichmäßig macht.
Für den diamantbeschichteten Körper gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Filmdicke des Diamantfilms aus den Gründen, die Schwierigkeiten bei der Festlegung der Grenzfläche zwischen dem Diamantfilm und dem Substrat (dem gesinterten Körper [I]) einschließen, nicht mit Genauigkeit bestimmt werden. Im allgemeinen jedoch ist es angemessen, daß die Filmdicke des Diamantfilms, mit dem das Substrat beschichtet ist, gewöhnlich im Bereich von ca. 0,5 bis 100 um, vorzugsweise von ca. 2 bis 50 um, liegen kann, um den diamantbeschichteten Körper für Schneidwerkzeuge zu verwenden.
Wenn einerseits die Filmdicke des Diamantfilms zu gering wäre, könnte die Oberfläche des Substrats in nicht ausreichendem Maß mit dem Diamantfilm beschichtet werden. Würde die Filmdicke desselben andererseits zu stark werden, könnte die Gefahr bestehen, daß sich der Diamantfilm von der Oberfläche des Substrats löst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung soll unter dem Begriff "Diamant" oder damit im Zusammenhang stehenden Begriffen wie sie hier verwendet werden, Diamant zu verstehen sein, der teilweise diamantähnlichen Kohlenstoff enthält und diamantähnlichen Kohlenstoff sowie Diamant selbst. Als Verfahren zum Beschichten des Substrats mit dem Diamantfilm kann eine Vielzahl bekannter Verfahren angewandt werden, solange sie mit der Dampfphasensynthese vonstatten gehen. Gewöhnlich kann das folgende spezielle Verfahren angemessen angewandt werden.
Mit anderen Worten kann der gewünschte Diamantfilm durch das folgende Verfahren angemessen auf das Substrat aufgebracht werden.
Der Diamantfilm kann durch an sich bekannte Diamantsynthese auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht werden, und unter noch anderen Verfahren wird die Diamantdampfphasensynthese bevorzugt die das Aussetzen des Substrats an Plasmagase einbezieht, welche man durch die Anregung von Kohlenstoffquellengasen erhält.
Vor allem wird die Anwendung des Verfahrens bevorzugt, bei dem das Beschichten der Oberfläche des Substrats mit dem Diamantfilm vonstatten geht, indem das Substrat mit Gasen in Kontakt kommt, die durch Anregen von Kohlenstoffquellengasen enthaltenden Rohstoffgasen in einer Reaktionskammer erzeugt werden können.
Die Rohstoffgase können all jene Gase sein, die mindestens Kohlenstoffquellengase enthalten, und es wird bevorzugt, daß die Rohstoffgase Kohlenstoffatome und Wasserstoffatome enthalten.
Die Rohstoffgase können vor allem zum Beispiel eine Mischung von Gasen einschließlich Kohlenstoffquellengase und Wasserstoffgase einschließen.
Falls nötig, kann ein Trägergas, wie ein Inertgas, zusammen mit den Rohstoffgasen eingesetzt werden.
Die Kohlenstoffquellengase können zum Beispiel Gase enthalten, die aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen, halogenhaltigen Verbindungen, sauerstoffhaltigen Verbindungen oder stickstoffhaltigen Verbindungen stammen, sowie Gase, die durch Vergasen von Kohlenstoff, wie Graphit, erzeugt werden können.
Die Kohlenwasserstoffe können zum Beispiel einen Paraffin-Kohlenwasserstoff wie zum Beispiel Methan, Ethan, Propan und Butan einschließen; einen Olefin-Kohlenwassergtoff wie zum Beispiel Ethylen, Propylen und Butylen; einen Acetylenkohlenwasserstoff wie zum Beispiel Acetylen und Allylen; einen Diolefin-Kohlenwasserstoff wie zum Beispiel Butadien; einen alicyclischen Kohlenwasserstoff wie zum Beispiel Cyclopropan, Cyclobutan, Cyclopentan und Cyclohexan; sowie einen aromatischen Kohlenwasserstoff wie zum Beispiel Cyclobutadien, Benzen, Toluol, Xylol und Naphthalin.
Die halogenhaltigen Verbindungen können zum Beispiel einen halogenhaltigen Kohlenwasserstoff wie zum Beispiel Methylenhalogenid, Ethylenhalogenid, Benzoesäurehalogenid und Kohlenstofftetrachlorid einschließen.
Die sauerstoffhaltigen Verbindungen können zum Beipiel einen Alkohol, wie zum Beispiel Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol einschließen; einen Ether, wie zum Beipiel Dimethylether, Diethylether, Ethylmethylether, Methylpropylether, Ethylpropylether, Phenolether, Acetal, und cyclische Ether (wie Dioxan und Ethylenoxid); ein Keton, wie zum Beispiel Aceton, Diethylketon, Pinakolin, aromatische Ketone (wie Acetophenon und Benzophenon), Diketon und cyclische Ketone; einen Aldehyd, wie zum Beispiel Formaldehyd, Acetaldehyd, Butylaldehyd und Benzaldehyd; eine organische Säure, wie zum Beispiel Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Bernsteinsäure, Buttersäure, Oxalsäure, Weinsäure und Sterinsäure; einen Säureester, wie zum Beispiel Methylacetat und Ethylacetat; einen zweiwertigen Alkohol, wie Ethylenglykol und Diethylenglykol; sowie ein Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid.
Die stickstoffhaltigen Verbindungen können zum Beispiel ein Amin, wie zum Beipiel Trimethylamin und Triethylamin, einschließen.
Von diesen Kohlenstoffquellengasen kann vorzugsweise ein Paraffin-Kohlenwasserstoff eingesetzt werden, der Methan, Ethan und Propan einschließt, der bei gewöhnlichen Temperaturen gasförmig ist oder einen hohen Dampfdruck besitzt; ein Keton, das Aceton und Benzophenon einschließt ein Alkohol, der Methanol und Ethanol einschließt sowie die sauerstoffhaltigen Verbindungen wie Kohlenmonoxid- und Kohlendioxidgase. Von diesen wird Kohlenmonoxid besonders bevorzugt.
Die Konzentration der Kohlenstoffquellengase in den gesamten Gasen kann üblicherweise im Bereich von 0,1 bis 80 Volumen-% liegen.
Der die Wasserstoffgase bildende Wasserstoff kann einen Wasserstoff umfassen, der, wenn er angeregt wird, atomaren Wasserstoff bilden kann.
Der atomare Wasserstoff wird als katalytisch wirkend zur Aktiverung der Reaktion zur Aufbringung des Diamantfilms auf die Oberfläche des Substrats angesehen, obwohl seine Wirkungsweise im einzelnen noch ungeklärt ist. Darüber hinaus hat er die Aufgabe, Diamant abzugeben und gleichzeitig nicht-diamantene Bestandteile wie Graphit und amorphen Kohlenstoff, deren Abgabe gleichzeitig mit der des Diamanten erfolgen konnte, zu beseitigen.
Als Techniken zur Anregung der Rohstoffgase könnten zum Beispiel die Mikrowellen-Plasma- CVD-Methode, RF-Plasma-CVD-Methode, DC-Plasma-CVD-Methode, Magnetfeld-Plasma- CVD-Methode (einschließlich der ECR-Bedingungen), Wärmefaden-Methode, Wärme-Plasma-CVD-Methode, optische CVD-Methode, laserinduzierte CVD-Methode, Verbrennungdurch-Abfackeln-Methode, das Sputtern, die Ionenstrahlmethode, Cluster-Ionenstrahl- Methode und die Methode des Ionenplattierens genannt werden.
Von den vorgenannten Methoden werden verschiedene CVD-Methoden und stärker die Plasma-CVD-Methode bevorzugt.
In einer Kombination der Rohstoffgase mit den anregenden Verfahren wird für die Ziele der vorliegenden Erfindung eine Kombination eines gemischten Gases aus Kohlenstoffmonoxidgas und Wasserstoffgas durch die Mikrowellen-Plasma-CVD-Methode (einschließlich der Magnetfeld-CVD-Methode) besonders bevorzugt.
Bei der Dampfphasenmethode kann die Temperatur des Substrats zum Zeitpunkt der Beschichtung mit dem Diamantfilm entsprechend den Verfahren zur Anregung der Rohstoffgase schwanken, so daß sie nicht einheitlich festgelegt werden kann. Im allgemeinen liegt sie allgemein gewöhnlich im Bereich von 300ºC bis 1200ºC, vorzugsweise von 500ºC bis 1100ºC.
Würde die Temperatur unter 300ºC sinken, könnte einerseits die diamantablagernde Rate geringer werden, wodurch die Kristallinität des abzulagernden Diamanten verlorenginge.
Würde die Temperatur auf über 1200ºC steigen, würde andererseits die Wirkung, daß sie einer Erhöhung der Temperatur entspricht, nicht erreicht werden, so daß die Anwendung solcher hohen Temperaturen nachteilig im Hinblick auf Energieeffizienz werden könnte, und der abgeschiedene Diamant könnte ferner einer Ätzung unterzogen werden.
Der Reaktionsdruck bei der Beschichtung des Diamantfilms kann gewöhnlich im Bereich von 133,3 x 10&supmin;&sup6; bis 133,3 x 10³ Pa (10&supmin;&sup6; bis 10³ Torr), vorzugsweise von 133,3 x 10&supmin;&sup5; bis 106,6 x 10³ Pa (10&supmin;&sup5; bis 800 Torr) liegen. Würde der Reaktionsdruck weniger als 133,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (10&supmin;&sup6; Torr) betragen, würde die Diamantabscheiderate zu langsam, oder es könnte kein Diamant abgeschieden werden. Würde der Reaktionsdruck andererseits mehr als 133,3 x 10³ Pa (10³ Torr) betragen, könnte Graphit in großem Ausmaß gebildet werden.
Die Reaktionszeit kann je nach der Oberflächentemperatur des Substrats, dem Reaktionsdruck und der erforderlichen Filmdicke schwanken, so daß sie nicht einheitlich festgelegt werden kann und sich auf angemessene Weise bestimmen läßt.
Die Filmdicke des auf die oben beschriebene Weise aufgebrachten Diamantfilms kann sich in großem Maß je nach Verwendung des diamantbeschichteten Körpers verändern, bei dem der Diamantfilm auf das Substrat aufgebracht wurde, so daß keine Beschränkungen für die Filmdicke des Diamantfilms bestehen. Die Filmdicke desselben kann gewöhnlich 0,3 um oder mehr betragen und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 um bis 500 um, stärker bevorzugt im bereich von 1 um bis 100 um.
Der erfindungsgemäße diamantbeschichtete Körper kann in der oben beschriebenen Weise hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße diamantbeschichtete Körper verfügt über eine wesentlich bessere Haftfähigkeit zwischen dem Diamantfilm und dem gesinterten Körper (dem gesinterten Körper [I]), der als das Substrat für herkömmliche diamantbeschichtete Körper einzusetzen ist, die man durch Beschichten des Diamantfilms auf bekanntes Substrat keramischen Typs, wie gesinterte Körper aus Siliciumnitrid, oder auf extrem hartem Legierungssubstrat erhält. Deshalb kann zum Beispiel der diamantbeschichtete Körper gemäß der vorliegenden Erfindung seine Schneiddauer erheblich verlängern, vor allem dann, wenn er als unter schwierigen Bedingungen einzusetzendes Schneidwerkzeug verwendet wird, weil er hohe Leistungsfähigkeit und ausgezeichnete Haltbarkeit aufweisen kann, wenn es praktisch auf verschiedene Werkzeuge, wie Schneidwerkzeuge usw., die äußerste Härte und Abriebbeständigkeit erfordern, angewandt wird.
Daher kann der diamantbeschichtete Körper gemäß der vorliegenden Erfindung zum Beispiel angemessen als extrem hartes Werkzeug, abriebbeständiges Werkzeug und abriebbeständige Körper verwendet werden wie Schneidwerkzeuge, z. B. Einpunkt-Werkzeuge bzw. einschneidige Werkzeuge, Stirnfräser, Bohrwerkzeuge und Schneidemaschinen, Stanzen, Durchzugmatrizen, Meßinstrumente und Köpfe für Verklebungsmaschinen oder verschiedene fünktionelle Materialien, die die Charakteristika und Funktionen des Diamantfilms ausnutzen können, wie elektronische Matrialien.
Die vorliegende Erfindung wird anschließend durch Beispiele beschrieben.

Beispiel 1:

71 Gew.-% Si&sub3;N&sub4;-Pulver, 11 Gew.-% Y&sub2;O&sub3;-Pulver, 3 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;-Pulver und 15 Gew.- % TiN-Pulver wurden unter nassen Bedingungen gemischt und getrocknet. Die resultierenden gemischten Pulver wurden zu einem rohen Körper geformt, der anschließend bei normalem Druck unter Stickstoffatmosphäre eine Stunde lang bei 1700 ºC gesintert wurde. Der gesinterte Körper, der dann wieder durch zweistündiges Erhitzen auf 1550ºC unter Stickstoffatmosphäre einer Kristallisationsbehandlung unterzogen wurde, erhielt die Form eines Schneidwerkzeug-Spans (Typ: SPGN421).
Die Röntgendiffraktometrieanalyse des durch die Kristallisationsbehandlung durch Erhitzen erzeugten gesinterten Körpers hat gezeigt, daß die Peaks für β-Sialon, TiN und der Melilithphase (Y&sub2;Si&sub3;N&sub4;O&sub3;) beobachtet wurden, wodurch bestätigt wird, daß die Kristallisation der intergranulären glasförmigen Phase vorangeschritten ist und sich herausstellt, daß der resultierende gesinterte Körper aus Keramik auf Siliciumnitridbasis mit der kristallinen intergranulären Phase besteht.
Die der Kristallisationsbehandlung durch Erhitzen unterzogenen Späne des gesinterten Körpers kamen dann als das Substrat in ein Reaktionsgefäß eines Mikrowellen-Plasma-CVD-Geräts und wurden mit dem Diamantfilm beschichtet, indem die Reaktion mit der Ausgansleistung von 400W Mikrowelle (Frequenz: 2,45 GHz) fünf Stunden lang durchgeführt wurde, die Substrattemperatur 1000ºC und der Druck 5,332 Pa (40 Torr) betrug, während Kohlenmonoxid und Wasserstoffgase als Rohstoffgase mit einer Rate von 15 sccm bzw. 85 sccm in das Reaktionsgefäß geleitet wurden, so daß eine Ablagerung mit einer durchschnittlichen Filmdicke von 10 um auf dem Substrat gebildet wurde.
Die Raman-Spektrometrie des aufbeschichteten Films hat gezeigt daß der vom Diamanten resultierende Peak in der Nähe von 1,333 cm&supmin;¹ des Raman-Streuspektrums auftrat, und als Resultat wurde bestätigt, daß der resultierende Diamant im wesentlichen frei von Verunreinigungen war.
Die weiter oben hergestellten resultierenden diamantbeschichteten Körper wurden Naß- Scheidetests unter den folgenden Bedingungen zur Ermittlung der Schneideigenschaften für jeden Span unterzogen.
Material: AlSi-Legierung (Al: 8 Gew.-%)
Scheidegeschwindigkeit: 1500 Meter pro Minute
Zufuhr: f= 0,1 mm/Umdrehung
Schneidetiefe: 0,25 mm
Kühlmittel: wäßriges Emulsionsöl
Die Schneidetests haben gezeigt, daß nach einer Schneidelänge von 30.000 m keine Unregelmäßigkeiten wie Ablösen des Diamantfilms, Abschuppung desselben usw. auftraten.
Nach den Schneidetests wurden die diamantbeschichteten Späne mittels eines Rasterelektromikroskops auf die Grenzfläche zwischen dem Diamantfilm und der Oberfläche des Substrats hin untersucht. Es wurde dann festgestellt, daß die Grenzfläche zwischen ihnen eine ausgezeichnete Kontinuität aufwies.
Ferner wurden die diamantbeschichteten Späne mittels Trocken-Schneidetests unter folgenden Bedingungen untersucht:
Material: AlSi-Legierung (Al: 8 Gew.-%)
Schneidegeschwindigkeit: 800 Meter pro Minute
Zufuhr: f= 0,1 mm//Umdrehung
Schneidetiefe: 0,25 mm
Als ein Ergebnisse der Trocken-Schneidetestes zeigte sich, daß nach einer Schneidelänge von 50.000 in keine Unregelmäßigkeiten wie Ablösen und Abschuppung Diamantfilms auftraten.
Nach den Schneidetests wurden die diamantbeschichteten Späne mittels eines Rasterelektromikroskops auf die Grenzfläche zwischen dem Diamantfilm und der Oberfläche des Substrats hin untersucht. Es wurde dann festgestellt, daß die Grenzfläche zwischen ihnen eine ausgezeichnete Kontinuität aufwies.

Vergleichsbeispiel:

Die Späne aus gesintertem Körper in Form eines Schneidwerkzeugs wurden im wesentlichen auf die gleiche Weise wie in den Verfahren von Beispiel 1, ohne die Wärmebehandlung zur Kristallisation, hergestellt. Die Röntgendiffraktometrie des gesinterten Körpers hat gezeigt, daß die Peaks für β-Sialon und TiN und keine sonstigen Peaks beobachtet wurden. Mit anderen Worten wurde bestätigt, daß der gesinterte Körper keine kristalline intergranuläre Phase aufwies.
Verwendete man den Span aus gesintertem Körper ohne kristalline intergranuläre Phase als Substrat, wurde die Diamantfolie im wesentlichen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 auf die Oberfläche des Substrats aufbeschichtet.
Der resultierende diamantbeschichtete Span wurde im wesentlichen auf die gleiche Weise einer Prüfung der Scheidleistung unter feuchten Bedingungen unterzogen wie in Beispiel 1. Als Ergebnis stellte sich heraus, daß sich der Diamantfilm bereits nach einer Schneidelänge von 3.000 m von der Oberfläche des Substrats ablöste.
Nach den Schneidetests wurde die Grenzfläche zwischen dem Diamantfilm und dem Substrat des diamantbeschichteten Teils mittels Rasterelektronenmikroskopie beobachtet. Das Ergebnis zeigt an, daß Lücken zwischen einigen Grenzflächenabschnitten beobachtet wurden, wobei die Entstehung der Lücken auf die Verdampfung der intergranulären Phase zurückgeführt wurde.

Beispiele 2 bis 6:

Si&sub3;N&sub4;-Pulver, Y&sub2;O&sub3;-Pulver, Al&sub2;O&sub3;-Pulver und TiN-Pulver wurden in der Zusammensetzung wie in der unten angeführten Tabelle angegeben gemischt, und die resultierenden Mischungen wurden geformt, gesintert und im wesentlichen auf die gleiche Weise wie im obigen Beispiel 1 einer Kristallisationsbehandlung unterzogen, außer daß sie über Zeiträume, wie in Tabelle 1 unten angegeben, erhitzt wurden, wobei sie Späne aus gesintertem Körper (Typ: SPGN421) bildeten.
Die Röntgendiffraktometrie-Analyse der resultierenden Späne aus gesintertem Körper hat ergeben, daß die auf β-Sialon, TiN und die Melilith-Phase (Y&sub2;Si&sub3;N&sub4;O&sub3;) hinweisenden Peaks beobachtet wurden, wodurch bestätigt wurde, daß die Kristallisation der intergranulären glasförmigen Phase fortgeschritten ist, und als Ergebnis wurde festgestellt, daß der resultierende gesinterte Körper aus Keramik auf Siliciumnitridbasis mit der kristallinen intergranulären Phase besteht.
Die diamantbeschichteten Späne wurden dann im wesentlichen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 unter Verwendung der Späne aus gesintertem Körper als Substrat hergestellt.
Bei der Verwendung der diamantbeschichteten Späne wurden die feuchten Schneidetests im wesentlichen unter den gleichen Schneidebedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, wodurch die für die Ablösung des Diamanten vorn Substrat erforderliche Schneidelänge, wie in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt, bestimmt wurde. TABELLE Beispiele Zusammensetzung der Grundmaterialien (Gew.-%) Kristallisations zeit (in Minuten) Röngendiffraktometrie-Analyse Schneidelänge bis zur Ablösung (in Metern) β-Sialon (kleiner Peak)
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die speziellen Keramiken auf Siliciumnitridbasis (gesinterter Körper) mit der kristallinen intergranulären Phase als das mit dem Diamantfilm zu beschichtende Substrat eingesetzt, so daß die Haftfähigkeit zwischen dem Substrat (gesinterter Körper) und dem Diamantfilm in beachtlichem Ausmaß verbessert wird. Somit kann die vorliegende Erfindung einen diamantbeschichteten Körper bereitstellen, der eine hohe Leistungsfähigkeit, ausgezeichnete Haltbarkeit und Lebensdauer besitzt und der ferner Schäden erheblich verringert, die sich durch das Ablösen oder den Abrieb des Diamantfilms ergeben, wenn er auf verschiedene extrem harte Werkzeuge, wie Schneidwerkzeuge und abriebfeste Teile, praktisch angewandt wird.

Claims

1. Diamantbeschichteter Körper mit einem mittels Dampfphasensynthese auf der Oberfläche eines eine Keramik auf Siliciumnitridbasis mit einer kristallinen intergranulären Phase umfassenden Substrats aufgebrachten Diamantfilm, wobei das Substrat durch Sintern eines aus einer Keramik auf Siliciumnitridbasis gebildeten Körpers, um einen gesinterten Körper mit einer intergranulären, glasförmigen Phase zu erhalten und Unterziehen des gesinterten Körpers einer Kristallisationsbehandlung durch Erhitzen desselbigen bei einer Temperatur von 1400 bis 1700ºC hergestellt worden ist.

2. Diamantbeschichteter Körper nach Anspruch 1, wobei die Keramik auf Silicumnitridbasis 60 bis 90 Gew.-% Siliciumnitrid und 10 bis 40 Gew.-% mindestens eines aus der ZrO&sub2;, MgO, Al&sub2;O&sub3; und Y&sub2;O&sub3; umfassenden Gruppe gewählten Oxids umfaßt.

3. Diamantbeschichteter Körper nach Anspruch 1, wobei die Keramik auf Siliciumnitridbasis Sialon enthält.

4. Diamantbeschichteter Körper nach Anspruch 1, wobei die Keramik auf Siliciumnitridbasis eine Ti-Verbindung enthält.

5. Diamantbeschichteter Körper nach Anspruch 4, wobei die Keramik auf Siliciumnitridbasis die Ti-Verbindung in einer Menge im Bereich von 1 bis 30 Gew.-%, angegeben als TiN, enthält.

6. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Körpers, umfassend das Sintern eines aus einer Keramik auf Siliciumnitrid gebildeten Körpers, um einen gesinterten Körper mit einer intergranulären, glasförmigen Phase zu erhalten, und Unterziehen des gesinterten Körpers einer Kristallisationsbehandlung durch Erhitzen desselbigen bei einer Temperatur von 1400 bis 1700ºC, und Beschichten von Diamant auf die resultierende Keramik auf Siliciumnitridbasis mit einer kristallinen intergranulären Phase mittels Dampfphasensynthese.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Keramik auf Siliciumnitridbasis 60 bis 90 Gew.-% Siliciumnitrid und 10 bis 40 Gew.-% mindestens eines aus der ZrO&sub2;, MgO, Al&sub2;O&sub3; und Y&sub2;O&sub3; umfassenden Gruppe gewählten Oxids umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Keramik auf Siliciumnitridbasis Sialon enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Keramik auf Siliciumnitridbasis eine Ti- Verbindung enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Keramik auf Siliciumnitridbasis die Ti- Verbindung in einer Menge im Bereich von 1 bis 30 Gew.-%, angegeben als TiN, enthält.